Лабораторная работа №3 Способы сжатия информации.

1. Цель работы

Наличие в сообщениях избыточности позволяет ставить вопрос о сжатии данных, т.е. о передаче того же количества информации с помощью последовательностей символов меньшей длины. Для этого используются специальные алгоритмы сжатия, уменьшающие избыточность.

Целью лабораторной работы является изучение и приобретение навыков программной реализации алгоритмов сжатия.

2. Теоретические сведения

Алгоритмы сжатия.

Среди простых алгоритмов сжатия наиболее известны алгоритмы RLE (Run Length Encoding). В них вместо передачи цепочки из одинаковых символов передаются символ и значение длины цепочки. Метод эффективен при передаче растровых изображений, но малополезен при передаче текста.

К методам сжатия относят также методы разностного кодирования, поскольку разности амплитуд отсчетов представляются меньшим числом разрядов, чем сами амплитуды. Разностное кодирование реализовано в методах дельта-модуляции и ее разновидностях.

Предсказывающие (предиктивные) методы основаны на экстраполяции значений амплитуд отсчетов, и если выполнено условие Ar - Ap > d, то отсчет должен быть передан, иначе он является избыточным; здесь Ar и Ap - амплитуды реального и предсказанного отсчетов, d - допуск (допустимая погрешность представления амплитуд). Иллюстрация предсказывающего метода с линейной экстраполяцией представлена рис. 1. Здесь точками показаны предсказываемые значения сигнала. Если точка выходит за пределы "коридора" (допуска d), показанного пунктирными линиями, то происходит передача отсчета. На рисунке передаваемые отсчеты отмечены темными кружками в моменты времени t_1, t₂, t₄, t₇. Если передачи отсчета нет, то на приемном конце принимается экстраполированное значение.

Рис. 1. Предиктивное кодирование

Сжатие данных по методу Лемпеля-Зива.

Лемель и Зив используют следующую идею: если в тексте сообщения появляется последовательность из двух ранее уже встречавшихся символов, то эта последовательсность объявляется новым символом, для нее назначается код, который при определенных условиях может быть значительно короче исходной последовательности. В дальнейшем в сжатом сообщении вместо исходной последовательности записывается назначенный код. При декодировании повторяются аналогичные действия и потому становятся известными последовательности символов для каждого кода.

Одна из алгоритмических реализаций этой идеи включает следующие операции. Первоначально каждому символу алфавита присваивается определенный код (коды - порядковые номера, начиная с 0). При кодировании:

1. Выбирается первый символ сообщения и заменяется на его код.

2. Выбираются следующие два символа и заменяются своими кодами. Одновременно этой комбинации двух символов присваивается свой код. Обычно это номер, равный числу уже использованных кодов. Так, если алфавит включает 8 символов, имеющих коды от 000 до 111, то первая двухсимвольная комбинация получит код 1000, следующая - код 1001 и т.д.

3. Выбираются из исходного текста очередные 2, 3,...N символов до тех пор, пока не образуется еще не встречавшаяся комбинация. Тогда этой комбинации присваивается очередной код, и поскольку совокупность А из первых N-1 символов уже встречалась, то она имеет свой код, который и записывается вместо этих N-1 символов. Каждый акт введения нового кода назовем шагом кодирования.

4. Процесс продолжается до исчерпания исходного текста.

При декодировании код первого символа, а затем второго и третьего заменяются на символы алфавита. При этом становится известным код комбинации второго и третьего символов. В следующей позиции могут быть только коды уже известных символов и их комбинаций. Процесс декодирования продолжается до исчерпания сжатого текста.

Сколько двоичных разрядов нужно выделять для кодирования? Ответ может быть следующим: число разрядов R на каждом шаге кодирования равно числу разрядов в наиболее длинном из использованных кодов (т.е. числу разрядов в последнем использованном порядковом номере). Поэтому если последний использованный код (порядковый номер) равен 13=1101, то коды А всех комбинаций должны быть четырехразрядными при кодировании вплоть до появления номера 16, после чего все коды символов начинают рассматриваться как пятиразрядные (R=5).

Пример. Пусть исходный текст представляет собой двоичный код (первая строка таблицы 1), т.е. символами алфавита являются 0 и 1. Коды этих символов соответственно также 0 и 1. Образующийся по методу Лемпеля-Зива код (LZ-код) показан во второй строке таблицы 2. В третьей строке отмечены шаги кодирования, после которых происходит переход на представление кодов А увеличенным числом разрядов R. Так, на первом шаге вводится код 10 для комбинации 00 и поэтому на следующих двух шагах R=2, после третьего шага R=3, после седьмого шага R=4, т.е. в общем случае R=K после шага 2^K-1-1.

В приведенном примере LZ-код оказался даже длиннее исходного кода, так как обычно короткие тексты не дают эффекта сжатия. Эффект сжатия проявляется в достаточно длинных текстах и особенно заметен в графических файлах.

Таблица 1

Исходный текст	0.00.000. 01. 11. 111.1111. 110. 0000.00000. 1101. 1110.
LZ-код	0.00.100.001.0011.1011.1101. 1010.00110.10010.10001.10110.
R	2 3 4
Вводимые коды	- 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100

Коэффициент сжатия. Эффект сжатия оценивают коэффициентом сжатия

где n - число минимально необходимых символов для передачи сообщения (практически это число символов на выходе эталонного алгоритма сжатия); q - число символов в сообщении, сжатом данным алгоритмом. Так, при двоичном кодировании n равно энтропии источника информации.

3. Объекты исследования, оборудование, материалы и наглядные пособия

4. ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ

1. Алгоритм RLE.

2. Метод разностного кодирования.

3. Предсказывающий метод сжатия.

4. Метод Лемпеля-Зива.

5. Порядок выполнения работы

1. В соответствии с вариантом задания составить алгоритм, реализующий заданный помехоустойчивый код.

2. Написать программу, реализующую разработанный алгоритм.

3. Рассчитать коэффициент сжатия.

6. Требования к оформлению отчета

Отчет должен содержать следующие разделы:

• задание по лабораторной работе;

• текст программы;

• результат работы программы

• выводы по проделанной работе.

7. Контрольные вопросы

1. Для чего применяется сжатие информации?

2. За счет чего достигается сжатие информации?

3. Какие алгоритмы сжатия информации Вам известны?

4. Что характеризует коэффициент сжатия?